Análisis del caudal de saturación del protocolo MAC 802.11e

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IEEE LATIN AMERICA TRANSACTIONS, VOL. 5, NO. 8, DECEMBER 2007
Análisis del caudal de saturación del protocolo
MAC 802.11e incorporando el efecto Arbitrary
Interframe Spacing
S. A. Kotsopoulos, G. S. Paschos, Member, IEEE, y Efstathios D. Vagenas, Member, IEEE
Resumen—Este documento describe cómo incluir el efecto
AIFS (Arbitrary Interframe Spacing) en el mecanismo EDCA
(Enhanced Distributed Channel Access) para una tasa de caudal.
AIFS se incorpora usando una nueva medida de correlación en el
cálculo de probabilidades de colisión. Los resultados se
comparan con trabajos previos referenciados y validados vía
simulación OPNET y la mejora obtenida se muestra en las
figuras del documento. Los resultados conseguidos son similares
en la mayoría de los casos.
Palabras Clave—Red de área local inalámbrica, análisis del
rendimiento, análisis del caudal de saturación.
I. INTRODUCCIÓN
U
N nuevo protocolo de acceso al medio (MAC) ha sido
recientemente hecho público por 802.11 Wireless Local
Area Networks (WLANs), llamado 802.11e, [1]. Del
mecanismo propuesto EDCA (Enhanced Distributed Channel
Access) se espera que proporcione calidad de servicio (QoS) a
los terminales móviles en modo red, clasificando el tráfico en
cuatro Categorías de Acceso (ACs). En la sociedad científica
ha surgido un gran interés por analizar este nuevo protocolo.
Aproximaciones analíticas del análisis del rendimiento en
las redes WLANs, como el mecanismo de backoff, son
herramientas útiles para evitar los test de simulación extensos.
El primer mecanismo de backoff para 802.11 DCF
(Distributed Coordination Function) fue introducido por
Bianchi [2] en 2000. En 2002 fue mejorado por Ziouva y
Antonakopoulos [3] quienes propusieron la parada del
contador backoff para calcular el retardo impuesto.
Finalmente, Foh y Tantra propusieron una mejora [4] en 2005,
que consigue mejores resultados en el análisis del rendimiento
DCF, diferenciando la ranura previa de estado como
libre/ocupada. De esta forma todas las variables estocásticas
pueden dividirse en dos bloques y se pueden considerar
condiciones especiales durante todo el análisis.
_________________
Manuscrito presentado el 7 de Febrero de 2006. Este trabajo está realizado
con el simulador OPNET.
S. Kotsopoulos, G. Paschos y E. Vagenas, miembros del Laboratorio de
Comunicaciones Inalámbricas de la Universidad de Patras, Grecia.(e-mail:
gkotsop@ece.upatras.gr; Ext-Georgios.Paschos@vtt.fi;
svagenas@ece.upatras.gr).
Mientras tanto, Xiao [5] en 2004 propuso una aplicación
del mismo análisis para el protocolo 802.11e sin ser capaz de
tomar en cuenta algunos aspectos que recientemente aparecen
en el estándar. Kong et al. [6] plantearon en 2004 un enfoque
distinto analizando la ranura de tiempo del protocolo en una
cadena. En [7] se presenta un análisis mejorado donde se usan
dos cadenas distintas para diferenciar entre la clase AC0 y el
resto de las clases. Sin embargo, parece que la solución
propuesta no puede extenderse para cubrir casos donde AIFS
es diferente para todas las aplicaciones.
En este documento, se propone una mejora del análisis
propuesto en [5] para producir resultados más realistas. Los
conclusiones de [4] se incluyen además en el análisis. El
objetivo del informe es incluir el efecto AIFS usando una
solución fácil y elegante. Los resultados del nuevo análisis se
comparan con trabajos previos en la materia y con los
resultados del simulador OPNET. Aparte del efecto AIFS, este
documento contribuye a presentar las simulaciones OPNET
(ver11) para varios entornos. El resto del documento se
organiza como se expone a continuación. En la sección II se
introduce brevemente el mecanismo EDCA 802.11e, en la
sección III se presenta el análisis propuesto, en IV se
comparan los resultados con trabajos previos y en V se
resumen las conclusiones principales.
II. VISIÓN GENERAL DE EDCA 802.11E
El protocolo 802.11e es una versión mejorada del protocolo
802.11 MAC, [8]. Distributed Coordination Function (DCF) y
Point Coordination Function (PCF) forman parte de las
especi- ficaciones MAC 802.11. El primero de ellos usa
CSMA/CA con backoff (espera aleatoria) exponencial binario
mientras que el segundo ofrece un mecanismo de acceso sin
contención realizado mediante polling (sondeo), para el
control de acceso al medio en WLANs. De manera similar,
EDCA (antiguamente llamado Enhanced DCF o EDCF) e
Hybrid Coordination Function (HCF) Controlled Channel
Access (HCCA) se corresponden con dos versiones mejoradas
de 802.11e. El resto del documento se centrará en el
mecanismo EDCA de 802.11e. En [5] y [7] se encuentra una
visión más detallada de los protocolos arriba mencionados.
El mecanismo EDCA es similar al EDCF excepto en tres
VAGENAS et al.: A SATURATION THROUGHPUT ANALYSIS
variables: Contention Window (CW), Arbitrary Interframe
Spacing (AIFS) y Transmit Opportunity (TxOP); las tres son
usadas para diferenciar entre varios ACs. La variable CW
significa que los terminales con bajo valor de CW tendrán que
esperar menos tiempo antes de acceder al canal. El resultado es
más rendimiento y menos retardo MAC. Un bajo valor de AIFS
significa que el Interframe Spacing que precede la cuenta atrás
del backoff será menor que en los otros terminales, cuyo
resultado es una cuenta atrás de backoff más rápida y una
mejora del rendimiento y el retardo. Además, como todos los
terminales compiten por el canal, la incapacidad de algunos de
los terminales para acceder al canal (aquellos con grandes
valores de CW y AIFS) maximiza la prioridad del resto. En la
Tabla I, se muestran los valores de CW y AIFS de [1]. En ella se
observa que la ventana de contención se define con dos
parámetros: CWmin define dónde comienza la ventana de
contención y CWmax fija su valor máximo.
TABLA I
VALORES DE PARÁMETROS EDCF PARA LAS CUATRO CLASES
DE ACCESO
AC3
AC2
Application
VoIP
Video
w
CWmin + 1
CWmax + 1
3
8
16
1
SIFS 2
2
16
32
1
SIFS 2
mw
AIFS[ ]
AC1
Best
Effort
1
32
1024
6
SIFS 3
AC0
Background
0
32
1024
6
SIFS 7
627
que el análisis se hace para AC de w . W j , w y m w son,
respectivamente, el valor mínimo de backoff y el número de
exponenciales elevados al máximo valor mostrados en la Tabla I
para todos los ACs. Las probabilidades de acceso al canal en una
ranura dada después de una ranura no utilizada, τ i , w , y después
de una ranura ocupada, τ b , w , para cada grupo de w será:
τ i, w =
mw
mw
j =0
j =0
¦ b0, j , 0, w
Pi
y τ b, w =
¦ b1, j , 0, w
1 − Pi
(1)
Se propone un diferente enfoque para las probabilidades
p 0, w y p1, w . Primeramente, se introduce la medida de
orrelación en el AIFS[w] . r (w1 , w2 ) se define como:
ª AIFS [w1 ] − AIFS [w2 ] º
r (w1 , w2 ) = max «1 −
, 0»
E [Ψ ]
¬
¼ (2)
, w1 ≥ w2
AIFS[w] se muestra en la Tabla I, w1 y w2
corresponden a los dos ACs comparados y E [Ψ ] es la media
de ranuras consecutivas sin ocupar dadas en la ecuación (3).
E [Ψ ] =
III. ANÁLISIS PROPUESTO
1
−1
1 − Pi
(3)
El análisis está basado en la definición de la cadena Markov
con probabilidades estacionarias bi , j , k , w donde i representa la
Esta medida de correlación es un porcentaje indicativo de
los intentos de acceso AC de w2 que pueden interferir con
condición de parada (1 para contador parado y 0 para el canal
sin
utilizar),
j representa el estado backoff
una clase w1 de una prioridad más alta. Cuando dos ACs
tienen el mismo AIFS, todos los terminales del primer grupo
de AC serán posibles competidores para el otro. Mientras la
diferencia de AIFS[w] aumenta, el número de terminales
considerados competidores disminuye. Esta diferencia se mide
en términos de ranuras consecutivas no utilizadas, que indica
cuan eficaz puede ser la política de AIFS. Cuanto mayor es el
valor de E Ψ , mayor es la probabilidad de que un terminal
con mayor AIFS y un contador más reducido de backoff
pueda presentarse como competidor posible; en este caso la
diferencia en AIFS desempeña un papel menos importante.
Esta medida de la correlación puede ser una aproximación
lineal del fenómeno real, pero los resultados muestran una
considerable mejora con respecto a la opción de no tener en
cuenta el AIFS. Por otra parte, esta representa una solución
simple para un problema más complejo.
Dado el hecho de que existen N w demandas para cada AC
( W j = 2 W0 ), w es la relación entre el estado j -th y el
j
estado inicial para AC de w y k representa el valor del
contador backoff, como en[4]. En la figura 2 de [4] también se
muestra la cadena para cualquier valor de w .
Definimos p 0, w y p1, w como la probabilidad de que otro
terminal transmita después de un período no utilizado y un
período ocupado respectivamente, desde el punto de vista de
un terminal AC de w ( w ∈ {0,1, 2, 3}). Las probabilidades
de que el canal se mantenga libre después de un período no
utilizado o un período ocupado son definidas como q0 y q1 y
son las mismas para todos los ACs. Por tanto, la ecuación (1)
de [4], que da la probabilidad de un período no utilizado Pi ,
puede ser utilizada directamente. Se puede cambiar la
ecuación (2) fácilmente introduciendo un índice w en bi , j , k ,
ψ j , π j , W0 , W1 , m , p0
y p1 . De este modo indicamos
[ ]
en el canal común, la colisión y las probabilidades de no
ocupación se pueden definir como funciones de
probabilidades de transmisión:
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IEEE LATIN AMERICA TRANSACTIONS, VOL. 5, NO. 8, DECEMBER 2007
p0, w = 1 − (1 − τ i , w )
N w −1
× ∏ (1 − τ i , z )¬
N z ⋅r ( w, z )¼
z<w
×
por:
∏ (1 − τ i , z )
(4)
Nz
z >w
p1, w = 1 − (1 − τ b, w )
N w −1
∏ (1 − τ b , z )
Nz
z >w
Nw
q1 = ∏ (1 − τ b , w )
Nw
(7)
w= 0
El sistema anterior de ecuaciones, con las variables
τ b, w , p 0, w , p1, w , q0
τ i, w ,
y q1 , se puede solucionar fácilmente
por medio del método de iteración del punto fijo y usando un
porcentaje de la memoria en cada iteración. La probabilidad
de éxito en la transmisión para cada AC será:
× ∏ (1 − τ i , z )
Ps , w = Pi ⋅ N w ⋅ τ i , w ×
¬ N z ⋅r ( w , z )¼
z<w
⋅ (1 − τ i , w )
N w −1
+ (1 − Pi ) ⋅ N w ⋅ τ b , w ⋅ (1 − τ b , w )
N w −1
⋅ ∏ (1 − τ i , z )
Nz
z >w
+
(8)
⋅ ∏ (1 − τ b , z )
Nz
z >w
La probabilidad de colisión es:
3
Pc = 1 − Pi − ¦ Ps , w
w= 0
(9)
Finalmente, el caudal de saturación de todo AC de Sw es
dado por:
Sw =
Ps , w E [P ]
3
3
(1 − pb ) ⋅ δ + ¦ p s , iTs , i + ª« pb − ¦ ps , i º» Tc, i
i =0
i =0
¬
¼
(11)
(5)
(6)
w=0
3
p s , i E [L ]
3
En esta modificación, Ts, i y Tc ,i son diferentes para cada
q0 = ∏ (1 − τ i , w )
3
Si =
AC. Esto es más importante para el acceso RTS-CTS ya que
los períodos son más pequeños. Si utilizamos diferentes
valores de T para cada AC, las diferencias en los resultados
son mayores. Como consecuencia, los resultados de [5] para
RTSCTS sin la modificación son poco realistas. Esta
modificación ha sido propuesta también en [3].
El análisis de [6] proporciona unos resultados poco realistas
para los parámetros usados en la simulación. Así mismo, el
rendimiento parece tener una pequeña dependencia con el
número de terminales. El resultado se mantiene a pesar de la
sustitución de sumas por productos en las ecuaciones (7) y (9)
de [6].
Las Fig. 1 y 2 muestran el rendimiento total de saturación
por AC para una velocidad de canal de 1Mbps, con acceso
básico en el primer caso y RTS-CTS en el segundo. Los
mismos resultados se muestran en las Fig. 3 y 4 para el caso
de un canal con velocidad 11Mbps. De este modo se prueba
que el análisis propuesto está muy cerca de las simulaciones
a excepción de la clase AC3 en el caso de un gran número
de terminales y acceso básico. En este último caso hay una
gran diferencia. Esto se puede explicar como una debilidad
del análisis de backoff. El análisis de Markov supone
independientes las probabilidades de interrupción del canal
p 0, w , p1, w para cada terminal en la cuenta atrás del
contador backoff. Con un gran número de terminales, este
supuesto empieza a fallar. El mismo problema se encuentra
en [4].
(10)
Pi ⋅ slot + ¦ Ps , wTs , w + PcTc
w= 0
Obsérvese que la ecuación (10) da el rendimiento de
saturación normalizado por clase de acceso, lo que puede ser
interpretado como la tarifa total de rendimiento para cada
clase. En la misma ecuación, E P es la longitud media de la
[ ]
carga útil, slot es la duración de la ranura, Ts , w es la duración de
la transmisión para la clase w y Tc es la duración media de la
colisión. Estos valores se pueden encontrar en [2] y en la Tabla I.
IV. RESULTADOS
El análisis propuesto se compara con el análisis de [5] y [6]
y se obtiene una aproximación mejor para simulaciones
hechas con el simulador OPNETTM (versión 11). El análisis de
[5] ha sido modificado substituyendo la ecuación (11) de [5]
Fig. 1. Rendimiento de saturación para las cuatro clases de acceso EDCA,
con una velocidad de canal de 1Mbps y acceso básico. Comparación entre el
análisis propuesto, la simulación Opnet y el análisis modificado de [5] y [6]
utilizando los parámetros de la Tabla I.
VAGENAS et al.: A SATURATION THROUGHPUT ANALYSIS
629
V. CONCLUSIONES
En este documento se ha hecho un análisis del rendimiento
de saturación al protocolo MAC 802.11e utilizando lo mejor
de [4] y [5] para crear un modelo híbrido. Y lo que es más
importante, se ha usado una medida de la correlación entre
AIFS y las consecutivas ranuras libres. Sustrayendo los
terminales que no interfieren en las ecuaciones relativas, el
efecto AIFS se incorpora en el análisis de backoff. Los
resultados del análisis se comparan con simulaciones de
OPNET y trabajos previos. Como se muestra en los
resultados, el análisis realizado es más exacto debido a los
cambios propuestos.
Fig. 2. Rendimiento de saturación para las cuatro clases de acceso EDCA,
con una velocidad de canal de 1Mbps y acceso RTS-CTS. Comparación entre
el análisis propuesto, la simulación Opnet y el análisis modificado de [5] y
[6] utilizando los parámetros de la Tabla I.
AGRADECIMIENTOS
Los autores agradecen a los estudiantes Erasmus Isabel
Serna Maza y Juan Carlos Casamayor Alonso, de la
Universidad de Valladolid y a María Luz Aguilera López,
Universidad de Granada, la traducción del documento original
en inglés.
REFERENCIAS
[1]
[2]
[3]
Fig. 3. Rendimiento de saturación para las cuatro clases de acceso EDCA,
con una velocidad de canal de 11 Mbps y acceso básico. Comparación entre
el análisis propuesto, la simulación Opnet y el análisis modi_cado de [5] y
[6] utilizando los parámetros de la Tabla I.
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]
Fig. 4. Rendimiento de saturación para las cuatro clases de acceso EDCA,
con una velocidad de canal de 11 Mbps y acceso RTS-CTS. Comparación
entre el análisis propuesto, la simulación Opnet y el análisis modificado de
[5] y [6] utilizando los parámetros de la Tabla I.
IEEE Standard for Information technology - Telecommunications and
information exchange between systems - Local and metropolitan area
networks - Specific requirements Part 11: Wireless LAN Medium
Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) specifications.
Amendment 8: Medium Access Control (MAC) Quality of Service
Enhancements.
Bianchi, G., "Performance Analysis of the 802.11 distributed
coordination function," IEEE Journal on Selected Areas in
Communications, vol. 18, pp. 318-320, Mar. 2000.
Ziouva, E. and Antonakopoulos, T., "CSMA/CA Performance under
High Traffic Conditions Throughput and Delay analysis," International
Journal for Computer Communications, vol. 25, 313-321, 2002.
Foh, C. H. and Tantra J. W., "Comments on IEEE 802.11 Saturation
Throughput Analysis with Freezing of Backoff Counters", IEEE
Communications Letters, Vol.9, No.2, 2005.
Xiao, Y., "Performance Analysis of IEEE 802.11e EDCF under
Saturation Condition", in Proc. of IEEE International Conference on
Communications, 2004, Paris, 2004.
Kong, Z., Tsang, D., Bensaou, B. and Gao, D., "Performance Analysis of
IEEE 802.11e Contention-Based Channel Access," IEEE Journal on
Selected Areas in Communications, vol. 22, Dec. 2004.
Tantra, J. W., "Throughput and Delay Analysis of the IEEE 802.11e
EDCA Saturation", in Proc. of IEEE International Conference on
Communications, 2005, Seoul, 2005.
Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer
Specification, IEEE Std. 802.11, 1997.
Dr. Stavros. A. Kotsopulos nació en Argos
(Grecia) en el en el año 1952. Obtuvo su
Licenciatura en Física en el año 1975 por la
Universidad de Salónica y en el año de 1984,
obtuvo su Diploma en Ingeniería Eléctrica e
Informática de la Universidad de Patras.
Realizó sus estudios de posgrado en la
Universidad de Bradford en el Reino Unido.
Es doctor Titular desde 1985. Actualmente es
miembro del personal docente y de
investigación del Departamento de Ingeniería
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IEEE LATIN AMERICA TRANSACTIONS, VOL. 5, NO. 8, DECEMBER 2007
Eléctrica e Informática de la Universidad de Patras y ocupa el cargo de
profesor. Desde 2004, es Director del Laboratorio de telecomunicaciones
inalámbricas y desarrolla su vida profesional enseñando e investigando en el
área de las Telecomunicaciones, con especial interés en las comunicaciones
móviles, interferencias, comunicaciones por satélite, aplicaciones de la
telemática, servicios de comunicaciones y diseño de antenas.
Georgios Stavrou Paschos (M’1999) nació
en Atenas, Grecia, en 1978. Realizó sus
estudios de Diplomado en Ingeniería
Eléctrica e Informática en la Escuela
Politécnica de la Universidad Aristóteles de
Tesalónica (2002) y el doctorado en Calidad
de Servicio en Redes inalámbricas en la
Escuela de Ingeniería Eléctrica e Informática
en la Universidad de Patras (2006), ambas
en Grecia. Investiga en el Instituto Nacional
de Investigación de Finlandia, VTT, Espoo,
en virtud de un ERCIM de becas de
investigación posdoctoral.
Efstathios Vagenas (M’2001) nació en
Atenas, Grecia, en 1980. Se graduó en el
departamento
de
Electrónica
y
Telecomunicaciones de la Academia de la
fuerza Aérea Helénica (2002). Es teniente de
la Fuerza Aérea Griega, y está trabajando
actualmente
en
un
doctorado
en
telecomunicaciones en la escuela de
Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la
Computación en la Universidad de Patras,
Grecia. Sus principales intereses son la
movilidad Modelos, los canales MIMO,
esquemas de diversificación.